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資料圖 瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的研究人員展示了第一批用于氫動力汽車未來性能指標(biāo)的氫傳感器

第一個(gè)滿足未來氫動力汽車性能目標(biāo)的氫傳感器

如今，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的研究人員提出了有史以來第一個(gè)氫傳感器，以滿足未來氫動力汽車的性能目標(biāo)。

 

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資料圖 氫傳感器工作原理

該發(fā)現(xiàn)是一種封裝在塑料材料中的光學(xué)納米傳感器。該傳感器基于一種光學(xué)現(xiàn)象——等離子體——當(dāng)金屬納米粒子被照亮并捕獲可見光時(shí)就會發(fā)生這種現(xiàn)象。當(dāng)環(huán)境中的氫含量變化時(shí)，傳感器就會改變顏色。

微型傳感器周圍的塑料不僅可以起到保護(hù)作用，而且還是一個(gè)關(guān)鍵部件。它通過加速將氫氣體分子吸收到能被探測到的金屬顆粒中，從而提高了傳感器的響應(yīng)時(shí)間。同時(shí)，塑料作為一個(gè)對環(huán)境的有效屏障工具，可以防止任何其他分子進(jìn)入和停用傳感器。因此，該傳感器能夠不受干擾的高效工作，從而滿足汽車工業(yè)的嚴(yán)格要求——能夠在不到一秒鐘的時(shí)間內(nèi)檢測到空氣中0.1%的氫。

“我們不僅開發(fā)了世界上最快的氫傳感器，而且還開發(fā)了一種隨著時(shí)間推移保持穩(wěn)定、不會失效的傳感器。與今天的氫傳感器不同，我們的解決方案不需要經(jīng)常重新校準(zhǔn)，因?yàn)樗艿剿芰系谋Ｗo(hù)”，研究人員說道。

 

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資料圖 氫傳感器應(yīng)用示例圖

在研究過程中，研究人員表明目前還沒有人能夠成功地達(dá)到未來氫動力汽車對氫傳感器的嚴(yán)格響應(yīng)時(shí)間要求。他們意識到他們離目標(biāo)只有一秒鐘的距離，甚至沒有試圖優(yōu)化它。塑料最初主要是作為一個(gè)屏障，但它的工作效果比他們想象的要好，因?yàn)樗€使傳感器的速度更快，這一發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了一段緊張的實(shí)驗(yàn)和理論工作。

檢測氫氣在很多方面都具有挑戰(zhàn)性。這種氣體不可見，沒有氣味，但易揮發(fā)，極易燃燒。它只需要空氣中4%的氫就可以產(chǎn)生氫氧氣體，因此有時(shí)也被稱為knallgas，這種氣體在最小的火花處點(diǎn)燃。為了使氫汽車和未來的相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施足夠安全，必須能夠檢測到空氣中極少量的氫，傳感器必須足夠快，以便在火災(zāi)發(fā)生前快速檢測到泄漏。

雖然這次研究的目標(biāo)主要是利用氫作為能量載體，但傳感器也提供了其他可能性。在電網(wǎng)工業(yè)、化學(xué)工業(yè)和核電工業(yè)中，高效氫傳感器是必不可少的，它還可以幫助改善醫(yī)療診斷。

“我們呼吸中的氫氣量可以為炎癥和食物不耐癥提供答案。我們希望我們的研究成果能廣泛應(yīng)用。這不僅僅是一本科學(xué)出版物，”研究人員表明。

從長遠(yuǎn)來看，希望傳感器能夠以高效的方式串聯(lián)生產(chǎn)，例如使用三維打印機(jī)技術(shù)。

事實(shí)：世界上最快的氫傳感器

•研究人員開發(fā)的傳感器基于一種光學(xué)現(xiàn)象——等離子體——當(dāng)金屬納米粒子被照亮并捕獲特定波長的光時(shí)發(fā)生。

•光學(xué)納米傳感器含有數(shù)以百萬計(jì)的鈀金合金金屬納米粒子，這種材料以其海綿狀的吸收大量氫的能力而聞名。當(dāng)環(huán)境中的氫含量發(fā)生變化時(shí)，等離子體效應(yīng)會使傳感器變色。

•傳感器周圍的塑料不僅是一種保護(hù)，而且通過促進(jìn)氫分子更快地穿透金屬顆粒從而更快地被檢測到，從而增加傳感器的響應(yīng)時(shí)間。同時(shí)，塑料對環(huán)境起到了有效的屏障作用，因?yàn)槌藲湟酝?，沒有其他分子能接觸到納米顆粒，從而阻止了失活。

•傳感器的效率意味著它能夠在不到一秒鐘的時(shí)間內(nèi)檢測到空氣中0.1%的氫，從而滿足汽車工業(yè)為未來氫汽車應(yīng)用設(shè)定的嚴(yán)格性能目標(biāo)。